郑诗程，彭　勃，徐礼萍

（1.安徽工业大学电气与信息工程学院，马鞍山　243032）

T型三电平拓扑的PWM控制策略

郑诗程，彭勃，徐礼萍

（1.安徽工业大学电气与信息工程学院，马鞍山243032）

对T型三电平逆变器的拓扑结构进行了分析研究，提出一种T型三电平逆变器PWM控制方法。该方法针对T型三电平拓扑结构，根据负载电流的极性，对零电平时的开关状态进行相应的控制，实现对输出参考电压矢量的合成。分析了该拓扑结构的死区特点及影响，常规的PWM控制方法加入死区后，相电压会出现4种不同的电压畸变，应用文中提出的控制方法，使原本复杂的4种电压畸变情况简化为2种，并提出了具体的死区补偿策略，有效补偿了输出电压的畸变。仿真结果验证了控制方法的可行性与有效性。

T型三电平；拓扑；空间矢量调制；死区补偿；电力电子

伴随着现代电力电子技术的发展，以绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、注入增强门极晶体管IEGT为代表的双极型复合自关断器件取得长足进步，与此同时，高压大容量变流器技术也迅速发展起来，特别是基于多电平拓扑结构的逆变器技术日趋成为大功率变流器的研究热点[1-5]。多电平逆变器具有输出电压谐波小、所需器件耐压低和开关损耗低等优点，在众多中高压大功率场合得到广泛应用[3]。其中，三电平拓扑结构以其结构简单、控制方便等更是得到迅猛发展。根据拓扑形式不同，基本三电平结构主要有3种：H桥级联型、二极管箝位型和飞跨电容型[4]。目前，应用较多的是二极管箝位型。

近年来，T型三电平由于具有更低的成本和导通损耗、更少的独立驱动电源等优点越来越受关注[6]。本文研究了T型三电平拓扑结构，并和二极管中点箝位NPC（neutral point clamped）型三电平拓扑结构进行了对比，结合NPC型三电平逆变器的控制方法，提出一种T型三电平的PWM控制方法，该方法针对T型三电平的拓扑结构，根据负载电流的极性，对零电平时的开关状态进行相应的控制实现对输出参考电压矢量的合成。分析了该拓扑结构的死区特点及影响，结合本文提出的PWM控制策略，提出了具体的死区补偿方法，有效补偿了输出电压的畸变。

1　T型三电平逆变器拓扑及原理

T型三电平逆变器主电路拓扑结构如图1 （a）所示。每相桥臂由4个功率开关器件组成，上下桥臂各一个功率开关管，并由两个反向串联的功率开关管与直流侧电容中点相连，其结构形状像一个旋转的字符“T”，因此称这种结构为T型拓扑。

与图1（b）所示的NPC型三电平拓扑结构相比，改变了每相桥臂2个功率开关管的位置，去除了2个箝位二极管，减小了系统体积，降低了成本。由分析可知，当电路输出高电平或低电平时，电流流经器件的个数减少，相应的导通损耗也会减少[7]。根据反向串联开关器件的接法不同，T型三电平拓扑又分为共集电极和共发射极两种，如图2所示。

图1　逆变器主电路拓扑Fig.1　Topology of inverter

图2　T型三电平逆变器单相拓扑Fig.2　Single-phase topology of T-type inverter

考虑三相逆变器电路，NPC型三电平电路需要10路独立驱动电源，共发射极的T型三电平电路需要7路，而共集电极电路只需要5路，故采用图2（a）所示共集电极的拓扑结构更有利于功率密度的提升[7]。对图2（a）所示单相桥臂电路，设直流电压为U=Ud，直流侧电容C1=C2，若电容电压相等，则Udc1=Udc2=Ud/2，以直流侧电容中点O为参考，则每相桥臂可输出3种电平：+Ud/2、0、-Ud/2，分别对应状态P、O和N。表1所示为单相桥臂输出不同电平时对应的开关状态。

表1　不同电平对应的单相开关状态Tab.1　Switch state of different level for single phase

2　T型三电平逆变器的PMW控制

与正弦波脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）策略相比，空间矢量调制SVPWM策略具有更高的直流电压利用率[8]，在三相拓扑结构中得到广泛应用。三相三电平逆变器共有27个开关状态，组成19个有效空间矢量。其中，零矢量1个，对应3个开关状态；小矢量6个，对应2个开关状态；中矢量和大矢量各6个，分别对应1个开关状态。图3所示为三电平空间矢量图[9]。

图3　三电平空间矢量图Fig.3　Diagram of three-level space vector

空间矢量调制按照最近3矢量的原则选择矢量，如图4所示，根据伏秒平衡原理，确定3个矢量的作用时间，合成参考电压矢量[10]。当参考矢量旋转至1扇区5区间的矢量序列如图5所示。

常规控制方法根据表1所示各输出电平对应的开关状态，给予对应的开关管触发脉冲以实现PWM控制[6]。本文针对T型三电平拓扑结构，提出一种PWM控制方法，即根据负载电流的极性，通过对零电平时的开关状态进行相应的控制来实现对输出参考电压矢量的合成。以A相桥臂为例，对电路输出零电平O时的状态进行分析。当连接直流侧电容中点的两个开关管导通时，电路输出零电平，Uao=0。假设电流ia流出桥臂为正，则当ia>0时，电流通过D4、S3形成通路，如图6（a）所示；当ia<0时，电流通过D3、S4形成通路，如图6（b）所示。由图6可看出，电流ia>0时，对于开关管S4，电流仅流经其反并联二极管，与S4是否触发导通无关。同理，ia<0时，S3是否触发导通对输出没有影响。

图4　1扇区矢量合成图Fig.4　Diagram of vector synthesis of sector 1

图5　1扇区5区间矢量序列Fig.5　Vector sequence of 5 interval of sector 1

图6　A相零电平开关管导通状态Fig.6　Switch tube conduction state of zero level for phase A

因此，可根据输出电流的极性对开关状态进行相应的控制，从而使桥臂输出零电平O。输出电流为正时，只给S3相应的触发信号（即零电平时开通，高、低电平时关断），S4一直关断。输出电流为负时，只给S4相应的触发信号，S3一直关断。表2给出不同电平对应的开关脉冲控制，结合SVPWM矢量控制序列，根据负载电流极性确定输出电平对应的开关状态实现参考电压矢量的合成。

表2　不同电平对应的开关脉冲控制Tab.2　Switch pulse control of different level

可以看出，T型三电平在输出不同的电平时只有相应的一个开关管触发导通，相比NPC型三电平输出不同电平时每次都有两个开关管触发导通，大大降低了开关损耗。

3　死区效应的分析及补偿

为避免在开关状态切换时，同桥臂互补开通的开关管发生短路，需在开关过程中插入死区[11]。

由上述分析可知，当开关管S1导通时，输出高电平P，S3、S4导通时，输出零电平O，S2导通时，输出低电平N。以A相桥臂为例，当P-O状态切换时，死区存在于两个开关时刻：①S1开通，S3.4关断；②S1关断，S3.4开通。在死区期间，S1.2.3均不导通，若ia> 0，二极管D2因续流导通，则桥臂输出低电平N；若ia<0，二极管D1导通，桥臂输出高电平P。同理，ON状态切换时，若ia>0，桥臂输出低电平N；若ia< 0，桥臂输出高电平P。

T型三电平死区期间输出电压只与负载电流极性有关，负载电流为正则输出低电平，负载电流为负则输出高电平。不同情况下一个开关周期A相实际输出压如图7所示。可看出，加入死区后T型三电平输出相电压有4种不同的畸变情况，对实际输出电压影响很大，必须进行死区补偿。

考虑死区情况，对于上半桥臂电容来说，在开关状态切换时，可能会通过S1-D3-S4形成短路回路，如图8（a）所示。同理，下半桥臂可能通过D4-S3-S2形成短路回路，如图8（b）所示。根据上节控制策略可知，在ia>0期间，开关管S4一直处于关断状态，图8（a）的短路情况不会发生，则图7（a）所示ia>0的死区情况无需考虑。同理，对于下半桥臂，在ia<0期间，开关管S3一直处于关断状态，图8（b）所示短路情况不会发生，则图7（b）所示ia<0的死区情况无需考虑。上述分析可知，只需对ia>0期间O-N状态切换和ia<0期间P-O状态切换两个开关过程插入死区时间并进行补偿，因此使得复杂的死区情况得到简化，补偿难度大大降低。

图7　死区情况下A相输出电压Fig.7　Output voltage of phase A with dead-time

图8短路情况Fig.8　Short circuit conditions

图7（a）所示，加入死区后实际输出电压比理想输出电压多输出了Td时间的高电平。本文采取时间补偿法[12]，通过改变开关管的实际导通时间，实现补偿目的。如图9所示，将S1的理想导通时间缩短Td，由信号的互补性，S3的开通时间就延长了Td，实现了电压实际输出值与参考值相等，补偿后的实际输出波形只是在相位上滞后了时间Td[13]。同理，可得出图7（b）所示死区的补偿方法。

图9　补偿原理Fig.9　Compensation principle

4　仿真结果

根据上述T型三电平逆变器控制策略，在Mat⁃lab环境下搭建了仿真模型，进行了仿真。仿真参数：直流侧电压Ud=800 V，分压电容C1=C2=4 700 μf，开关频率为9 kHz，输出电压频率为50 Hz。

图10所示为逆变器工作时单相4个开关管S1～S4的触发脉冲图。0为低电平关断，1为高电平触发。可看出，S1与S2处于互补间断性工作，S3和S4只在输出电流过零点附近高频开断，相比传统的控制方法，有效降低了开关损耗。

图10　单相开关管触发脉冲Fig.10　Switch tube trigger pulse of single phase

图11为死区补偿前后仿真输出的三相线电压Uab波形和A相负载电流波形。可看出，加入死区后，死区效应导致叠加后的三相线电压波形严重畸变，相电流波形的总谐波畸变率THD（total har⁃monic distortion）增加，波形受到干扰。加入补偿后，消除了电压畸变，输出电流波形的THD明显降低，达到了补偿目的，验证了补偿方法的有效性。

图11　仿真波形Fig.11　Simulation waveforms

5　结语

本文分析了T型三电平逆变器的拓扑结构，并与二极管箝位型三电平拓扑结构进行了比较，得出了其拓扑结构的优越性。在NPC型三电平PWM控制方法的基础上，提出一种T型三电平控制方法，有效降低了开关损耗。对T型三电平死区效应特点进行了分析，提出了有效的死区补偿方法。仿真结果验证了上述控制方法的可行性与有效性，为T型三电平拓扑的应用奠定了基础。

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PWM Control Strategy of T-type Three-level Topology

ZHENG Shicheng，PENG Bo，XU Liping
（1.School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Ma’anshan 243032，China）

The T-type three-level inverter topology is analyzed in this paper，and a three-level inverter PWM con⁃trol method based on the topology is presented.The method controls the switch state of the zero level according to the po⁃larity of the load current to realize the synthesis of output reference voltage vector.The characteristics and effects of the dead-time is analyzed.Conventional PWM control method with dead-time will cause four different kinds of phase volt⁃age distortion，but the application of control method presented make the complex voltage distortion more simple with two kinds of situations.The strategy of dead-time compensation is attained which reduces the output voltage distortion effectively.The results of simulation verify the feasibility and effectiveness of the control method.

T-type three-level；topology；space vector pulse width modulation（SVPWM）；dead-time compensation；power electronics

TM464

A

1003-8930（2016）02-0093-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.02.015

郑诗程（1972—），男，博士，教授，研究方向为电力电子功率变换技术、电力电子技术在新能源发电系统中的应用等。Email：zsc108@ahut.edu.cn

彭勃（1991—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子功率变换技术等。Email：pengbo1991@126.com

徐礼萍（1990—），女，硕士研究生，研究方向为电力电子功率变换技术等。Email：xuliping0921@163.com

2014-05-27；

2015-04-14

安徽省工业节电与电能质量控制协同创新中心开放课题基金资助（KFKT201407）